基于原子力显微镜(AFM)的纳米焊接方法研究

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纳米制造是纳米技术的核心内容之一,纳米制造能力直接反映了纳米技术的发展水平。纳米尺度的焊接加工是实现纳米制造的关键技术环节。本论文的研究内容以国家自然科学基金支持项目“基于原子力显微镜(AFM)微观电场的纳米焊接方法研究”(61106109)及辽宁省自然科学基金支持项目“利用原子力显微镜微观电场进行纳米焊接的方法研究”(201102229)为依托,以纳米器件加工为应用背景,基于原子力显微镜(AFM)操控技术,开展了微观电场条件下纳米焊接加工的理论方法研究。本研究主要内容包括:  ⑴AFM微观电场与场蒸发加工理论分析。基于场蒸发理论,运用分子动力学分析方法,构建了AFM微观电场的场蒸发模型,进行了场蒸发沉积加工实验验证,为纳米尺度金属原子蒸发焊接加工提供了理论依据。运用有限元仿真分析方法,开展了外加电压条件下,AFM探针与样品间的微观电场分布研究,分析了电压、间距以及湿度等因素对电场分布的影响,建立了外加电压与微观电场强度的关系。通过仿真计算和实验研究,验证了焊接点沉积是场蒸发的过程而不是热蒸发的过程。  ⑵导电探针的金属镀层加工技术研究。针对场蒸发沉积加工对探针金属镀层的消耗问题,开展了基于离子溅射原理与相关技术的探针金属镀层加工方法研究。研究分析了金属镀层厚度对场蒸发沉积效果的影响,并通过实验建立了针尖镀层厚度与溅射加工时间的关系,给出了适宜探针沉积加工的镀层厚度与溅射参数。  ⑶AFM场蒸发沉积的重复性与精度控制方法研究。针对微观场蒸发沉积加工可控性差的问题,开展了不同AFM操控模式的焊接方法研究,分析了探针-样品间距与加工电流对沉积的影响,建立了基于针尖-样品距离控制的电流诱导沉积加工方法,并通过实验研究,验证了上述方法的有效性。在此基础上,实现了纳米线、纳米坑等结构的加工实验,丰富了AFM电场加工手段。  ⑷AFM场蒸发沉积焊接的效果分析与实验研究。运用检测分析手段,开展了对沉积点的元素成分、电学性能和力学性能三个方面实验研究。通过能谱分析仪检测,证明沉积点成分与针尖镀层金属相同;通过加工石墨烯电极并在石墨烯电极之间沉积纳米点,验证了沉积点的导电性;通过AFM操作,验证了沉积点具有良好的物理固定能力。基于上述研究,进行了碳纳米管晶体管(CNTFET)的焊接实验研究,实验表明,焊接有效降低了接触电阻,提高了该器件的导电性能。
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